EP1331444B1 - Method for regulating a gas burner - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung eines Gasbrenners, insbesondere bei Heizungsanlagen mit Gebläse.The invention relates to a method for controlling a gas burner, especially in heating systems with blower.
Bei Heizungsanlagen mit Gebläse gemäß dem Stand der Technik wird mittels einer Gasarmatur die Brenngasmenge an die Luftmenge angepaßt. Hierzu wird der Luftmassenstrom meist mittels des Druckabfalls an einer Blende gemessen und über diesen Steuerdruck die Brenngasmenge gesteuert. Dieses Verfahren zur Mischung von Brenngas und Luft hat den Nachteil, dass aufgrund wechselnder Brenngaszusammensetzung der Luftüberschuss variieren kann; hierdurch kann es zu hohen Schadstoffemissionen während des Betriebs und Startschwierigkeiten kommen.In heating systems with blower according to the prior art, the amount of fuel gas is adapted to the amount of air by means of a gas fitting. For this purpose, the air mass flow is usually measured by means of the pressure drop across a diaphragm and controlled by this control pressure, the fuel gas amount. This method for mixing fuel gas and air has the disadvantage that due to changing fuel gas composition, the excess air can vary; This can lead to high pollutant emissions during operation and starting difficulties.
Aus der
Bei einem Verfahren zur Regelung des Brenngas-Luft-Gemischs gemäß
Ebenfalls bekannt ist ein Verfahren, bei dem der Sauerstoffanteil im Abgas eines Gasbrenners gemessen wird und das Brenngas-Luft-Gemisch derart geregelt wird, dass sich ein bestimmter Sauerstoffanteil im Abgas ergibt. Ein solches Verfahren wird zum Beispiel in
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein robustes Verfahren zur Regelung eines Gasverbrennungsanlage zu schaffen, bei dem das Brenngas-Luft-Verhältnis derart geregelt wird, dass ein sicheres Zünden und niedrige Schadstoffemissionen gewährleistet sind. Hierzu soll ein deutlich zu messendes Signal verwendet werden. Bei bekannten Verfahren sind die Abweichungen der zu messenden Signalwerte sehr klein, wodurch es häufig - insbesondere bei gealterten Sensoren - zu fehlerbehafteten Messungen und Regelungen kommt.The invention has for its object to provide a robust method for controlling a gas combustion plant, in which the fuel gas-air ratio is controlled so that a safe ignition and low pollutant emissions are guaranteed. For this purpose, a signal to be measured clearly is to be used. In known methods, the deviations of the signal values to be measured are very small, which often leads to erroneous measurements and regulations, especially in the case of aged sensors.
Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteile zu vermeiden und ein eindeutiges, robustes Regelverfahren für einen Gasbrenner zu schaffen.The aim of the invention is to avoid these disadvantages and to provide a clear, robust control method for a gas burner.
Erfindungsgemäß wird dies bei Verfahren der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruches erreicht.According to the invention this is achieved in the method of the type mentioned by the characterizing features of the independent claim.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen wird erreicht, dass von Zeit zu Zeit eine Kalibrierung des Brenngas-Luft-Verbundes stattfindet, bei dem das Mischungsverhältnis derart eingestellt wird, dass eine saubere und sichere Verbrennung gewährleistet ist.The proposed measures ensures that from time to time a calibration of the fuel gas-air-composite takes place, in which the mixing ratio is adjusted such that a clean and safe combustion is ensured.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die geringere Leistungsaufnahme des Gebläses, da der Druckverlust für die Volumenstrommessung überflüssig wird. Hierdurch reduzieren sich auch die Gebläsegeräusche und ein kleineres, in der Regel kostengünstigeres Gebläse kann verwendet werden. Es ist nicht mehr notwendig durch unterschiedliche Bauteile zwischen Erdgas H, Erdgas L und Flüssiggas zu unterscheiden; hier genügt eine entsprechende Standardvorgabe für die Regelung, damit der Brenner gestartet werden kann. Gemäß den optionalen Merkmalen kann eine vorteilhafter Schwellwert für den Kalibriervorgang bestimmt werden.Another advantage of the method according to the invention is the lower power consumption of the blower, since the pressure loss for the volume flow measurement is superfluous. This also reduces the fan noise and a smaller, usually cheaper fan can be used. It is no longer necessary to differentiate between natural gas H, natural gas L and LPG through different components; Here, a corresponding default for the control is sufficient to start the burner. According to the optional features, an advantageous threshold for the calibration process can be determined.
Die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 beschreiben vorteilhafte Verfahrensschritte zur Durchführung des Verfahrens. So kann das Brenngas-Luft-Gemisch angefettet werden, indem man die Brenngasmenge erhöht oder die Luftmenge reduziert. Zur Abmagerung des Gemischs kann die Brenngasmenge reduziert oder die Luftmenge erhöht werden. Es ist vorstellbar, dass bei dem Verfahren sowohl die Brenngas-, als auch Luftmenge verändert wird.The features of
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 ergibt sich der Vorteil, dass das Kalibrierverfahren auch dann - außerhalb der vorgesehenen Zyklen - durchgeführt werden kann, wenn eine ungewöhnlich hohe Kohlenmonoxid- beziehungsweise Kohlenwasserstoffkonzentration vorliegt. So ist es beispielsweise denkbar, dass sich kurz nach einer Kalibrierung aufgrund einer Flüssiggas-Luft-Zumischung das Brenngas-Luft-Verhältnis signifikant ändert und eine hohe Kohlenmonoxid- beziehungsweise Kohlenwasserstoffkonzentration im Abgas entsteht. Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 5 liegen auch vor der erstmaligen Durchführung des installierten Gasbrenners Sollwerte vor, so dass der Brenner bis zur Durchführung der ersten Kalibrierung mit diesen Werten betrieben werden kann.According to the features of claim 4, there is the advantage that the calibration process can then - outside of the intended cycles - can be performed when an unusually high carbon monoxide or hydrocarbon concentration is present. So it is conceivable, for example, that shortly after calibration due to a liquid-air admixture, the fuel gas-air ratio changes significantly and a high carbon monoxide or hydrocarbon concentration is formed in the exhaust gas. According to the features of
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 ergibt sich der Vorteil, dass die Funktion des Abgassensors überprüft werden kann. Zum angegebenen Zeitpunkt sollte nur Luft am Abgassensor vorliegen. Wird dagegen Kohlenmonoxid beziehungsweise Kohlenwasserstoffe in nennenswerter Höhe gemessen, so ist dies ein Indiz dafür, dass ein Sensorfehler vorliegt; statt eine Kalibrierung mit einem defekten Sensor durchzuführen, sollten dann besser die bisherigen Sollwerte Verwendung finden.According to the features of
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 ergibt sich der Vorteil, dass die Funktion des Abgassensors auch beim Abschalten des Brenners überprüft werden kann. Zum Zeitpunkt des Abschaltens kann es kurzzeitig zu einer leichten Erhöhung des Signalwertes kommen. Kurz nach dem Abschalten sollte nur Luft am Abgassensor vorliegen. Wird dagegen Kohlenmonoxid in nennenswerter Höhe gemessen, so ist dies ein Indiz dafür, dass ein Sensorfehler vorliegt.According to the features of
Gemäß Anspruch 8 kann festgestellt werden, ob der Sensor während des Betriebs plausible Werte liefert oder ob der Sensor wahrscheinlich defekt ist. Bei Vorliegen eines Defektes wird der Brenner mit in der Regelung hinterlegten Standardwerten oder in einem früheren Kalibrierverfahren ermittelten Werten betrieben oder eine Störabschaltung veranlaßt.According to
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 ergibt sich der Vorteil, dass redundant mittels Kohlenmonoxid- oder Kohlenwasserstoff- und Ionisationsstrommessung festgestellt werden kann, ob das System in Ordnung ist. Stellt das System fest, dass ein Widerspruch stattfindet, so wird die Kalibirerung abgebrochen und die Regelung verwendet die alten Sollwerte.According to the features of
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10 ergibt sich der Vorteil, dass angesichts der widersprüchlichen Informationen, eine Störabschaltung erfolgt und somit eine Gefährdung ausgeschlossen ist.According to the features of
Durch die Merkmale des Anspruchs 11 ergeben sich weitere Anhaltspunkte für einen Defekt. Der Ionisationsstrom hat bei nahstöchiometrischer Verbrennung sein Maximum. Fällt der Ionisationsstrom bei Anfettung, so ist die Verbrennung unterstöchiometrisch; der Schwellwert hätte in diesem Falle längst erreicht sein müssen.Due to the features of
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12 wird in beiden letztgenannten Fällen der Brenner abgeschaltet, um eine unsaubere Verbrennung zu vermeiden.According to the features of
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der
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Fig. 1 ein Heizungsanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßes Verfahrens und -
Fig. 2 den Zusammenhang zwischen Luftüberschuß und Kohlenmonoxidemission.
-
Fig. 1 a heating system for carrying out the inventive method and -
Fig. 2 the relationship between excess air and carbon monoxide emission.
Eine Heizungsanlage gemäß
Beim Brennerbetrieb wird von der Regelung 3 z.B. aufgrund eines nicht dargestellten Raumthermostaten in Verbindung mit einer ebenfalls nicht dargestellten Vorlauftemperaturerfassung im Rechenmodul 32 eine Sollleistung des Brenners 1 berechnet. Im Speichermodul 31 ist zu der Sollleistung ein Sollsignal für die Brenngas- und Luftmenge hinterlegt. Mit diesen Sollsignalen wird das Gebläse 2 mit seinem Antriebsmotor 7 und seiner Drehzahlerfassung sowie das Gasventil 4 mit seinem Stellantrieb 5 angesteuert, wodurch ein Brenngas-Luft-Gemisch in das Gebläse 2 und von dort zum Brenner 1 strömt. Das Gemisch wird an der äußeren Oberfläche des Brenners 1 verbrannt, durchströmt den Wärmeaustauscher 10 und strömt anschließend durch das Abgasrohr 9 ins Freie.In burner operation, the
Hierbei ist mL die tatsächliche Luftmenge und mL,min die stöchiometrische Luftmenge. Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen zu Kohlendioxid entsteht stets Kohlenmonoxid als Zwischenprodukt. Aufgrund der begrenzten Reaktionszeit in der wärmebeeinflußten Zone und eine unzureichende Durchmischung von Brenngas und Luft, ist in der Praxis jedoch ein gewisser Luftüberschuss notwendig, um einen vollständigen Ausbrand zu gewährleisten. Daher hat man in der Regel bei knapp überstöchiometrischer Verbrennung einen CO-Wert von weit über 1000 ppm. Erst bei einem Luftüberschuß von ca. 10 % fallen die Kohlenmonoxid-Emissionen im ausreagierten Abgas deutlich und erreichen bei üblichen Brennern Werte unter 100 ppm. Mit Erhöhung der Luftzahl fällt jedoch ― aufgrund des Anteils inerter Gase ― die Verbrennungstemperatur; die Verbrennungsreaktion wird verlangsamt und es kommt zum Abbruch der Reaktion am Wärmeaustauscher. Daher ist ab einem Luftüberschuss von ca. 80 % ein deutlicher Anstieg der Kohlenmonoxidemissionen zu verzeichnen.Here, m L is the actual air flow and m L, min is the stoichiometric air flow. The combustion of hydrocarbons into carbon dioxide always produces carbon monoxide as an intermediate. Due to the limited reaction time in the heat affected zone and insufficient mixing of fuel gas and air, in practice, however, a certain excess air is necessary to ensure complete burnout. Therefore, a CO value of well over 1000 ppm is usually reached at just over-stoichiometric combustion. Only with an excess of air of about 10%, the carbon monoxide emissions in the fully reacted exhaust gas fall significantly and reach in conventional burners values below 100 ppm. As the air ratio increases, however, the combustion temperature drops because of the proportion of inert gases; the combustion reaction becomes slows down and it comes to the termination of the reaction at the heat exchanger. Therefore, from an air surplus of about 80%, a significant increase in carbon monoxide emissions can be observed.
Da bei stöchiometrischer Verbrennung (theoretisch) der gesamte Brennstoff verbrannt wird und keine überschüssige Luft vorhanden ist, ist hierbei die Verbrennungstemperatur maximal. Mit überschüssiger Luft wird der Anteil der Inertgase erhöht, wodurch die Verbrennungstemperatur sinkt. Dies hat zur Folge, dass die Stickoxidemissionen bei stöchiometrischer Verbrennung maximal sind und bei Erhöhung des Luftüberschusses abnehmen. Auch der Wirkungsgrad einer Heizungsanlage ist bei stöchiometrischer Verbrennung maximal und nimmt bei Erhöhung des Luftüberschusses ab, da die inerten Gase Wärmeverluste aufnehmen und die Verweilzeit des Abgases im Wärmeaustauscher aufgrund der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit reduziert wird, was auch durch den verbesserten Wärmeübergang nicht kompensiert wird. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass es sowohl bei nahstöchiometrischer Verbrennung, als auch bei sehr großen Luftüberschüssen zu einer Rußbildung kommen kann; diese verschlechtert den Wärmeübergang am Wärmeaustauscher.Since in stoichiometric combustion (theoretically) the entire fuel is burned and no excess air is present, in this case the combustion temperature is maximum. With excess air, the proportion of inert gases is increased, whereby the combustion temperature decreases. This has the consequence that the nitrogen oxide emissions are maximum in stoichiometric combustion and decrease as the excess air is increased. The efficiency of a heating system is maximum in stoichiometric combustion and decreases when increasing the excess air, since the inert gases absorb heat losses and the residence time of the exhaust gas in the heat exchanger is reduced due to the increased flow rate, which is not compensated by the improved heat transfer. However, it must be taken into account that soot formation can occur both with near-stoichiometric combustion and with very large excess air. this deteriorates the heat transfer at the heat exchanger.
Oben genannte Tatsachen haben zur Folge, dass Gasbrenner bevorzugt mit einem definierten Luftüberschuss betrieben werden. Im Ausführungsbeispiel wird daher von einer Sollluftzahl von ca. 1,25 ausgegangen. In
Bei der Verbrennung gilt:
Hierbei ist Imin der Mindestluftbedarf. Da bei einem realen Brennersystem das Verhältnis von Brenngas zu Luft über den gesamten Modulationsbereich nicht konstant sein muss, ergibt sich eine Abhängigkeit
Zu Beginn der Kalibrierung liegt ein beliebiges Brenngas-Luft-Verhältnis vor. Die Regelung 3 steuert kontinuierlich den Stellantrieb 5 des Gasventils 4 derartig, dass stetig mehr Brenngas bei gleicher Luftmenge in das Gebläse 2 gelangt. Hierdurch wird das Gemisch angefettet; die Luftzahl sinkt. Der Abgassensor 6 mißt die Kohlenmonoxidemission im Abgasrohr 9 und leitet das Signal an die Regelung 3 weiter. Registriert die Regelung 3, dass die Kohlenmonoxidemission einen im Speichermodul 31 vorgegebenen Schwellwert von 2000 ppm (Punkt A in
Aufgrund des relativ großen Sollbereichs (C in
Es kann vorkommen, dass beispielsweise durch Flüssiggas-Luft-Beimischung im Winter das Brenngas-Luft-Verhältnis sich binnen Minuten ändert. Eine unsaubere Verbrennung würde so erst bei der nächsten routinemäßigen Kalibrierung korrigiert, evtl. sogar gänzlich unberücksichtigt bleiben, da zum Zeitpunkt der nächsten Kalibrierung wieder das ursprüngliche Gemisch vorläge. Um dies zu verhindern, mißt der Abgassensor 6 auch außerhalb der routinemäßigen Kalibrierung in bestimmten Abständen die Kohlenmonoxidemission im Abgasrohr 9. Ist ein bestimmter Grenzwert (Punkt B in
Optional kann bei der Kalibrierung zur Veränderung des Gemischs in Richtung brennstoffreicherer Zusammensetzung statt einer Erhöhung der Brenngasmenge auch die Luftmenge reduziert werden, während die Gasmenge konstant bleibt. Auch kann statt eines absoluten Kohlenmonoxidsignals ein Gradient (z.B. CO-Änderung pro Drehzahländerung des Gebläses) gemessen werden. Der Schwellwert muss nicht einem bestimmten CO-äquivalenten Signal entsprechen, sondern kann z.B. auch gemäß Grundrauschen ohne CO (z.B. 20 mV) plus Abschaltwert (z.B. 0,5 V) bestimmt werden. In diesem Fall würde man voraussetzen, dass das Messsignal bei Kohlenmonoxidkonzentrationen im angestrebten Betriebsbereich sich deutlich unter diesem Schwellwert befinden und der Schwellwert ein Indiz dafür ist, dass ein bestimmtes Brenngas-Luft-Verhältnis in Richtung brennstoffreicherem Gemisch unterschritten wurde.Optionally, in the calibration to change the mixture in the direction of fuel-rich composition instead of increasing the fuel gas amount and the amount of air can be reduced, while the amount of gas remains constant. Also, instead of an absolute carbon monoxide signal, a gradient (eg CO change per speed change of the blower) can be measured. The threshold value does not have to correspond to a specific CO-equivalent signal, but can also be determined, for example, according to background noise without CO (eg 20 mV) plus cut-off value (eg 0.5 V). In that case you would Assuming that the measured signal at carbon monoxide concentrations in the desired operating range are well below this threshold and the threshold value is an indication that a certain fuel gas to air ratio was in the direction of fuel-rich mixture below.
Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Kalibrierung nicht durch eine Anfettung des Gemischs bis zu einem Schwellwert und anschließende Abmagerung geschieht, sondern vielmehr durch eine Abmagerung des Gemischs bis zu einem Schwellwert und anschließende Anfettung. Hierbei wird berücksichtigt, dass ― wie aus
Es ist ferner bekannt, dass sich im Abgas die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen in der gleicher Art verhalten wie die Kohlenmonoxid-Emissionen. Daher kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein Sensor verwendet werden, der ein den unverbrannten Kohlenwasserstoffen äquivalentes Signal erzeugt.It is also known that the emissions of unburned hydrocarbons behave in the same way in the exhaust gas as the carbon monoxide emissions. Therefore, in the method according to the invention also a sensor can be used, which generates a signal equivalent to the unburned hydrocarbons.
Claims (12)
- Method for controlling a gas burner (1), in particular with a fan (2), comprising an electronic controller (3), which, at a predefined burner output, defines a target signal for the amount of burnable gas and the amount of air, comprising a device for controlling the amount of burnable gas (4, 5), and comprising a waste gas sensor (6), which generates a signal equivalent to the carbon monoxide concentration or to the concentration of unburned hydrocarbons, characterised in that, after a specific operating time or at periodic intervals, preferably burner start-up or absolute time, a calibration procedure is carried out, in which the burnable gas/air mixture is made richer or leaner until the signal of the waste gas sensor (6) or a gradient of this signal, preferably derived according to the fan speed or the control signal of the device for controlling the amount of burnable gas (4, 5), exceeds a predefined or calculated threshold value, whereby it is known that a specific air ratio is present, in which state the signal for the amount of burnable gas and the amount of air is detected and then the burnable gas/air mixture is again made leaner or richer at a predefined ratio, whereby new target values for the amount of burnable gas and amount of air are defined.
- Method for controlling a gas burner (1) according to claim 1, characterised in that the burnable gas/air mixture is made richer and/or leaner by changing the control signal for the amount of burnable gas.
- Method for controlling a gas burner (1) according to one of claims 1 or 2, characterised in that the burnable gas/air mixture is made richer and/or leaner by changing the control signal for the amount of air.
- Method for controlling a gas burner (1) according to one of claims 1 to 3, characterised in that the calibration procedure is initiated if the signal equivalent to the carbon monoxide concentration or to the hydrocarbon concentration lies above a predefined threshold value during operation of the gas burner at least 15 seconds after burner start-up.
- Method for controlling a gas burner (1) according to one of claims 1 to 4, characterised in that target values for burnable gas and air are predefined at the start of the control method (3).
- Method for controlling a gas burner (1) according to one of claims 1 to 5, characterised in that the signal equivalent to the carbon monoxide concentration or to the concentration of unburned hydrocarbons is detected before burner start-up, preferably at least 5 seconds after fan start-up, and the calibration procedure is not initiated with the presence of a signal corresponding to a concentration preferably greater than 20 ppm.
- Method for controlling a gas burner (1) according to one of claims 1 to 6, characterised in that, once the burnable gas feed has been disconnected, preferably after a short measurement break, preferably 1 second, the signal equivalent to the carbon monoxide concentration or to the concentration of unburned hydrocarbons is detected, and the calibration procedure is not initiated with the presence of a signal corresponding to a concentration preferably greater than 20 ppm.
- Method for controlling a gas burner (1) according to one of claims 1 to 7, characterised in that, with the presence of a signal of the waste gas sensor (6) below a predefined threshold value, preferably 10 mV, or above another predefined threshold value, preferably 1 V, or with the presence of a gradient of this signal greater than a third threshold value, preferably 100 mV/sec, the calibration procedure is not initiated and the controller (3) controls the gas burner (1) using predefined standard values or values established in a prior calibration procedure, or the controller (3) disconnects the gas burner (1).
- Method for controlling a gas burner (1) according to one of claims 1 to 8, characterised in that, in addition, the ionisation current is received at an ionisation electrode (14) located in the flame region, and, if the ionisation current increases in the case of a fuelrich burnable gas/air mixture whilst the signal equivalent to carbon monoxide or to hydrocarbon decreases, the calibration procedure is aborted.
- Method for controlling a gas burner (1) according to claim 9, characterised in that the burner (1) is disconnected.
- Method for controlling a gas burner (1) according to one of claims 1 to 10, characterised in that, in addition, the ionisation current is received at an ionisation electrode (14) located in the flame region, and, if the ionisation current decreases in the case of a fuelrich burnable gas/air mixture whilst the threshold value for the signal equivalent to carbon monoxide or to hydrocarbon is not reached, the calibration procedure is aborted.
- Method for controlling a gas burner (1) according to claim 9 or 11, characterised in that the controller (3) controls the device for controlling the amount of burnable gas (4, 5), in such a way that the flow of burnable gas is interrupted
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